Macchine e impianti elettrici negli impianti idroelettrici

Centrali idroelettriche
Alberto Berizzi,
Dipartimento di Elettrotecnica
Politecnico di Milano
1
Macchinario idraulico
z
Turbine a azione:
– turbina Pelton
z
Turbine a reazione:
– turbina Francis
– turbina Kaplan
– eliche
2
Turbine a azione
z
z
z
z
z
z
L’energia potenziale si trasforma totalmente in energia cinetica in un
ugello (distributore) che proietta la vena liquida ad alta velocità contro
le pale
Poiché p=0, all’uscita del distributore H=v2/2g e quindi v = 2 gH
La ruota non deve mai essere sommersa, e quindi deve essere a quota
superiore al massimo livello di valle
L’acqua, dopo che ha colpito le pale, cade nel canale di scarico con una
piccola energia residua, al limite con velocità nulla
La cassa turbina può essere leggera e ha solo lo scopo di evitare
danneggiamenti e la fuoriuscita dell’acqua
I tipi più diffusi sono:
– Turbina Pelton
– Turbina Turgo
– Turbina cross-flow
3
Turbina Pelton
•
•
•
Asse orizzontale o verticale
Uno o più ugelli (nelle turbine ad asse verticale, fino a sei, con
interferenza fra i getti che diminuisce il rendimento) trasformano
totalmente in energia cinetica la pressione dell’acqua, la cui portata è
regolata da una valvola a spillo
La ruota è installata 1.5-3 m sopra il pelo dell’acqua: salto perso, ma
trascurabile rispetto agli alti salti con cui è impiegata
4
Girante Pelton
5
Spaccato di una Pelton
6
Pelton da 125 MW
7
Tegolo deviatore
8
Altre caratteristiche
z
z
z
z
z
z
La parzializzazione si ottiene con la spina, che varia la
portata, ma non la velocità (né il triangolo)
Un tegolo deviatore ha lo scopo di deviare il flusso dalle
pale, in caso di brusco distacco di carico (0.5-1 s), in modo
da evitare la fuga della turbina senza dover chiudere troppo
velocemente la valvola di macchina
La spina chiude in circa 20-60 s
Controgetto per la frenatura in pochi minuti invece che
alcune ore (vantaggio per i cuscinetti)
Il doppio cucchiaio serve per evitare interferenze dello
scarico con il getto
Il taglio centrale serve perché il getto interessi più cucchiai
(spinta più delicata)
9
Spina della Pelton
10
Valvola rotativa
11
Valvola a farfalla
12
Comando del tegolo
e messa a terra dell’albero
13
Turbine a reazione
z
z
La pressione dell’acqua agisce direttamente sulla superficie delle pale,
diminuendo di valore man mano che avanza
I termini sono entrambi non nulli, e si
p v2
H= +
definisce il grado di reazione
γ 2g
H −v
2
2g
z
ε=
z
La cassa turbina deve essere abbastanza robusta, poiché la ruota è
completamente sommersa e sottoposta alla pressione di monte dell’acqua
I tipi più diffusi sono:
z
H
– Francis
– Kaplan
– eliche
14
Turbina Francis
A asse orizzontale (ma se di
grande potenza, sono a asse
verticale)
In generale è la meno costosa
15
Turbina Francis
z
z
z
z
z
z
z
A flusso radiale, con distributore a pale regolabili, sincronizzate
da un anello, e girante a pale fisse, utilizzate per i salti medi
L’acqua cede energia alla girante senza contatto con l’atmosfera
La cassa a spirale è a sezione decrescente (v costante) e
consente l’alimentazione radiale e lo scarico assiale
Il distributore può funzionare da valvola di intercettazione
Parzializzazione ruotando le pale del distributore
Più ingombrante di una Pelton (pressioni)
Il diffusore:
– generalmente è di forma tronco-conica per ridurre la velocità di scarico,
il che fa diminuire le perdite di carico nello scarico
– la pressione allo scarico è inferiore a quella atmosferica
– consente di installare la macchina sopra il livello allo scarico, senza
sacrificare salto (opere civili meno costose)
– c’è una massima altezza (di aspirazione, Ha) per evitare la cavitazione
– può essere tronco-conico (Ha alta) oppure a gomito
16
Turbina Francis
17
Ruolo del diffusore
18
Valvola e Regolazione palette
19
Regolazione palette Francis
20
Scarico sincrono
E’ una valvola collegata alla camera a
spirale che si apre durante le brusche
manovre, per mantenere quasi costante Q e
evitare il colpo d’ariete
z La sua chiusura avviene in 20-30 s
z
21
Turbina Kaplan
z
z
z
Turbine a reazione a flusso
assiale, utilizzate generalmente
per bassi salti
Le pale della ruota sono sempre
regolabili, quelle del
distributore possono essere fisse
(semi-Kaplan) o regolabili
(Kaplan)
Le pale della ruota si muovono
girando intorno ad un perno
solidale con un sistema di
bielle-manovelle collegate ad
un tirante verticale, posto
all’interno dell’albero cavo
della turbina, azionato da un
servomotore idraulico
22
Eliche
z
z
z
z
Le turbine a elica hanno
distributore e ruota a pale
fisse
Sono utilizzate quando il
salto e la portata sono
praticamente costanti
La turbina a bulbo ha il
generatore e il moltiplicatore
(se esiste) contenuti in una
cassa impermeabile, immersa
nell’acqua
Dal bulbo escono solo i cavi
elettrici, debitamente protetti
23
Numero di giri caratteristico ns
z
z
z
Caratterizza diversi tipi di turbina che si possano
considerare simili geometricamente
E’ il numero di giri ideale che avrebbe una turbina
che sviluppasse 1 kW con un salto di 1 m
Turbine con lo stesso ns sono simili
P
ns = n 4
H H
z
Da ns si deducono le dimensioni della macchina
ATTENZIONE: ns dipende dalle unità di misura !!!
24
Caratteristiche delle turbine
25
Turbina Pelton
z
z
z
z
z
z
Aumentando il numero di getti, ns cresce con la radice
quadrata del numero di getti: ns di una Pelton a quattro
getti è il doppio di quello di una Pelton ad un getto
In ogni caso, il numero giri caratteristico di una Pelton non
supera 60.
Il diametro di una girante Pelton dipende dalla velocità
periferica
L’acqua esce dall’ugello alla velocità vch = 0.97 2 gH
In teoria, la velocità periferica V0 di rendimento massimo è
vch/2. In pratica, il rendimento massimo si ottiene ad una
velocità v0 = 0,47 vch
ns è proporzionale al rapporto d/D (diametro del
getto/diametro della girante)
26
Turbina Francis e Kaplan
z
Per le turbine a reazione, ns dipende da:
–
–
–
–
z
α1, angolo formato da u e v1
ε, il grado di reazione
b0, altezza del distributore
D1, diametro di ingresso della girante
La turbina Francis copre una vasta gamma di
– ns: 60 (Francis lenta)-400 (ultra-veloce)
– salti: 30-350 m
z
Le turbine Kaplan sono caratterizzate da
– ns: 250-1000
– salti: 5-60 m
27
Scelta del numero di gruppi
L’ideale è un solo gruppo generatore: meno
opere civili e meno perdite
z Altri fattori:
z
– potenza massima (fino a 200 MW)
– collegamento con il sistema (problemi in caso
di contingency)
– se le portate variano, il rendimento può essere
penalizzato
28
Scelta della turbina
z
Dipende da:
–
–
–
–
–
salto netto
portata
problemi di cavitazione
velocità di rotazione
costo
29
Salto netto
z
Scelta critica per i
piccoli salti e le grandi
portate, dove i costi delle
opere civili sono molto
elevati
30
Portata
Portata utile:
bisogna considerare
• il deflusso
minimo vitale
• la portata
minima della
turbina
31
Numero di gruppi
Il numero minimo tale da garantire un
elevato rendimento al variare delle
condizioni idrauliche, tenendo conto anche
delle durate
z Bisogna anche tener conto di
z
– aspetti pratici come l’entità delle opere civili e
gli spazi disponibili
– velocità degli alternatori: se fosse troppo bassa,
conviene suddividere la portata
32
Numero di giri caratteristico
z
Esempio 1:
– salto= 100 m
– potenza=800 kW
– n=1500 rpm
P
800
= 1500
= 134
H H
1004 100
– quindi si sceglie una Francis
ns = n
z
4
Esempio 2
– Se c’è un riduttore, n=500-1500
– Risulta ns=45-134
– Si può scegliere una Francis oppure una Pelton a due
getti
33
Cavitazione
z
z
z
z
z
Quando la pressione scende sotto la sua tensione di
vapore, ha luogo l’evaporazione del liquido, con la
formazione di bolle, che collassano quando giungono nelle
zone a pressione maggiore, dando luogo alla cavitazione
Si creano impulsi di pressione molto elevati, con forte
rumore (come se la turbina fosse attraversata da ghiaia)
Col tempo, si ha erosione diffusa che forma cavità nel
metallo e cricche con asportazione del metallo
Le temperature elevate generate dagli impulsi di pressione
e la presenza di ossigeno nei gas rilasciati aggravano il
fenomeno, dando origine a corrosione
Per evitare la cavitazione, bisogna tenere bassa la turbina
(al limite, annegata), il che aumenta i costi
34
Cavitazione
35
Velocità di rotazione
z
z
z
Si deve tenere conto
delle possibili velocità
di sincronismo
Rispetto ai
turboaltenatori, le
macchine idrauliche
ruotano più
lentamente: gli
alternatori sono a poli
salienti
300-750 rpm è
l’intervallo in cui gli
alternatori costano
meno
60 f
n=
pp
36
Riduttore di velocità
z
z
z
z
Non sempre la velocità ideale della turbina è quella di minimo costo
per l’alternatore
In alcuni casi, è opportuno interporre un moltiplicatore di giri
Tipicamente: piccoli impianti con bassi salti, in cui la macchina gira
molto piano (meno di 300 rpm): in accoppiamento diretto l’alternatore
risulterebbe grosso e costoso
L’introduzione del moltiplicatore (vita utile: 10 anni) porta i seguenti
problemi:
–
–
–
–
–
Minori rendimenti globali
Maggiori costi di manutenzione
Maggiore rumorosità
Maggiori rischi di guasto
Complicazione impiantistica (raffreddamento del moltiplicatore)
37
Velocità di rotazione
z
A pari ns e a pari portata complessiva
dell’impianto, per aumentare n, bisogna
suddividere la portata, cioè avere più gruppi,
peraltro meno costosi e di minor inerzia
ns = n
z
z
P
H H
4
La velocità di ingresso dell’acqua è
sostanzialmente inversamente proporzionale alla
velocità di rotazione della macchina
Più veloce è l’acqua in uscita, più lungo deve
essere il diffusore
38
Velocità di fuga
z
In caso di distacco improvviso di carico bisogna:
– evitare la velocità eccessiva delle macchine (di fuga)
– evitare il colpo di ariete per la chiusura repentina delle
valvole
39
Rendimento delle turbine
z
z
z
z
E’ il rapporto tra la potenza meccanica trasmessa
all’asse turbina e la potenza idraulica assorbita
Le turbine a azione perdono un po’ di salto
rispetto alle turbine a reazione
Di contro, le turbine a reazione hanno perdite di
carico nella cassa spirale e soprattutto nel
diffusore, necessario per diminuire la velocità
all’uscita, per cui il salto utile è minore di quello
netto
Le turbine sono fatte per avere il massimo
rendimento all’80% della portata nominale
40
Rendimento
Kaplan e Pelton:
rendimenti elevati
su un range ampio
Francis: rendimenti
elevati su un range
ridotto (oltre 50%);
Sotto il 40% si
possono verificare
vibrazioni che
costringono alla
fermata
41
Volano e “raffreddamento”
42
Disposizione del gruppo
z
A asse verticale:
– facile lo smontaggio del rotore dell’alternatore
– ispezione e smontaggio della turbina difficoltosi
– scarico asimmetrico (Pelton)
z
A asse orizzontale:
– due supporti con ruota a sbalzo
– l’albero non attraversa lo scarico (Francis)
– semplicità di manutenzione
43
Cuscinetti portanti e reggispinta
z
Asse orizzontale:
– portante: regge il peso
– reggispinta: compensa (Francis) gli sforzi assiali; nelle
Pelton tale spinta è assente se il getto è ben centrato
z
Asse verticale:
– cuscinetti guida (reagiscono a squilibri dinamici)
– Michell: installato in cima all’albero, sopra lo statore
dell’alternatore, regge tutto il peso dell’alternatore e della
turbina
44
Generatori elettrici
z
L’energia meccanica disponibile all’asse
viene convertita in energia elettrica
– Alternatori sincroni: generano energia in modo
sincrono con la rete, possono generare/assorbire
potenza reattiva e funzionare in isola.
Tipicamente per le potenze più elevate (>5MVA),
generalmente sono più costosi degli asincroni
– Generatori asincroni: non ruotano sincroni con la
rete, assorbono Q e non possono funzionare in
isola; solitamente per potenze <500 kVA, ma
anche fino a 5 MVA
45
Alternatore da
140 MVA
46
Caratteristiche elettriche
An =
z
z
z
Presa
cos ϕ
Tipicamente, il fattore di potenza nominale è 0.8-0.9
(diminuendo il cosϕ aumentano i costi del rame e
dell’eccitazione)
Il rendimento è 98-99%
Altri dati:
–
–
–
–
–
–
–
tensione nominale (3, 6, 10, 15, 20 kV)
massime temperature degli avvolgimenti di statore e rotore
Sovraccarico (es. 1.5 In per 30 s)
Sovravelocità (e verifica delle temperature dei cuscinetti)
Squilibrio di corrente (correnti inverse)
Tenuta al corto circuito (3 s)
Regolarità della forma d’onda
47
Capability chart
48
Avvolgimenti statore
49
Raffreddamento
z
Alternatore:
– Piccola potenza: a aria esterna
con ventilatori calettati
sull’albero
– Fino a 30 MVA, aria chiusa
raffreddata con acqua;
scambiatori immersi nello
scarico e circuito chiuso
– Grande potenza: idrogeno turboalternatori
z
z
Cuscinetti: la portata di
raffreddamento deve essere
disponibile anche quando la
macchina sta ruotando senza
produrre (compensatore
sincrono)
Elettronica in centrale
50
Alternatore, cuscinetti e anelli
51
Funzioni e caratteristiche del
sistema di eccitazione
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
regolatore di tensione
regolatore di fattore di potenza con impostazione esterna
limitatore di sovra e sotto eccitazione
limitatore di corrente statorica
precisione della regolazione
campo di funzionamento della regolazione automatica
(80-110%)
ceiling (2 Vn)
tempo di risposta (eccitatrici statiche)
velocità di risposta
controeccitazione
Potenza assorbita: 0.5-1%An; Vecc=200-500 V
52
Eccitazione degli alternatori
z
z
z
Eccitatrici rotanti in
c.c.: possibile anche
l’eccitatrice pilota
Sistemi brushless:
piccolo alternatore il
cui indotto è nel rotore
e la cui corrente viene
raddrizzata; senza
presenza di spazzole
Eccitatrici statiche:
alimentazione
mediante raddrizzatore
e anelli
53
Schema di una eccitatrice in
corrente continua
amplidina
G
_
G
_
G
3
Controllore
Al posto dell’amplidina ci può essere un piccolo alternatore a
magneti permanenti che alimenta un raddrizzatore
54
Alternatore e eccitazione
55
Eccitatrice AC con ponte a
diodi
G
3
G
3
Controllore DC
riferimento
Controllore AC
•
•
•
•
Velocità di risposta
Modularità
Sicurezza della fonte di alimentazione
Niente spazzole
Non è consentita l’inversione di
vecc, né la controeccitazione
56
Eccitatrice AC con ponte controllato
G
3
G
3
Controllore
alimentazione
ponte
•
•
•
•
•
Velocità di risposta
Modularità
Sicurezza della fonte di alimentazione
Niente spazzole
Si può invertire vecc
Controllore DC
Rif.
Controllore AC
Non è consentita la
controeccitazione
57
Eccitatrice brushless
G
3
N
S
G
3
G
3
Controllore AC
•
•
•
•
Si sono affermati quando gli alternatori hanno raggiunto potenze
rilevanti (660 MW)
Eliminazione di tutti i contatti striscianti
Limitate possibilità di regolazione
Adatti a impianti con rischio di incendio e esplosione, sistemi navali,
piccolo idroelettrico
58
Eccitatrice statica
G
3
TE
•
•
•
•
•
Velocità di risposta
Modularità (minor costo)
Niente spazzole
Si può invertire vecc
Poca manutenzione
• Non è consentita la
controeccitazione, a meno che il
raddrizzatore non sia
bidirezionale
Controllore DC
Rif.
Controllore AC
59
Trasformatori
z
z
E’ sempre bene che ci siano, quanto meno per proteggere gli
alternatori da sovratensioni (anche con k=1)
Sono sempre stella-triangolo:
– la stella in AT per contenere il costo degli isolamenti e consentire la
messa a terra (non sempre, e solo se centro stella accessibile,
isolamento graduale o meno)
– il triangolo in MT blocca le correnti di III armonica prodotte dagli
alternatori
z
Trasformatori monofasi: tre trasformatori collegati
opportunamente:
– costo complessivo maggiore
– possibilità di riserva con un solo trasformatore monofase
– è possibile organizzare meglio l’occupazione degli spazi, ma
complessivamente ingombrano di più
– trasporto meno oneroso
60
Trasformatore di centrale
61
Caratteristiche dei trasformatori
di centrale
z
z
z
z
z
Tensioni nominali: dipendono dalla tensione di
rete e da quella dell’alternatore
Rendimento: circa 99%
Solitamente è inserito un variatore lato AT
(tipicamente ±2x2.5%), per compensare le
variazioni di tensione in rete
Raffreddamento: ONAN, ONAF, OFWF (in
caverna, necessità di pompa)
Problema dell’olio isolante e delle barriere in caso
di incendio
62
Schemi di potenza
Potenza delle macchine presenti
z Sicurezza delle persone
z Livello di affidabilità
z Facilità e flessibilità di esercizio
z Rendimenti
z
63
Più macchine in parallelo
z
z
z
z
z
Si risparmia sul trasformatore e sulle
relative apparecchiature
Pcc sulle sbarre aumenta all’aumentare
della potenza (la reattanza in pu del
trasformatore è circa la stessa, aumenta
In)
Oneroso dimensionamento interruttori
MT: devono essere dimensionati per la
piena Icc di sbarra
S
Energizzazione brusca del trasformatore
all’accensione
Oscillazione delle macchine
A
B
64
Montante rigido
z
z
z
z
z
z
z
Soluzione più economica al crescere della potenza
Si suppone il montante rigido infallibile
I due gruppi sono indipendenti (guasto MT)
Si risparmia il costo dell’interruttore di macchina;
gli interruttori sono installati sulla AT
I tre interruttori presenti sono uguali, come potere di
interruzione
Il parallelo avviene sulla AT, con energizzazione
soft dei trasformatori, che sono in tensione solo
quando il gruppo produce (guadagno sulle perdite a
vuoto) e sono ottimizzati per il proprio carico
Esempio:
– Sbarra singola: 2 gruppi da 20 MVA, a 15 kV,
In=770 A; Un trasformatore da 40 MVA,
vcc=0.1, Icc15kV=15 kA
– Montante rigido: 2 gruppi da 20 MVA, a 15 kV,
In=770 A; Due trasformatori da 20 MVA,
vcc=0.1, Icc15kV=7.7 kA
65
Scambio di sbarra
Soluzioni con i vantaggi del montante rigido, ma possibilità di
scambiare alternatori-trasformatori
I trasformatori devono essere dimensionati opportunamente
66
Schemi di stazione
Singolo sistema di sbarre
Doppio sistema
di sbarre
K
67
Sezionatori di terra
z
Ogni parte dell’impianto deve poter essere messa
a terra per consentire lavori in sicurezza. In
particolare:
–
–
–
–
z
partenza delle linee
sbarre AT
trasformatore/i
celle dei quadri
Devono essere previsti interblocchi per evitare che
si possa accedere a parti in tensione, nei quadri
68
Stazione elettrica di
trasformazione
69
Sezionatore e morsetti
70
Servizi ausiliari
z
z
Comprendono diversi tipi di utenze, con gradi
diversi di disponibilità e continuità
dell’alimentazione
Secondo le caratteristiche, possono essere:
– in c.a. o in c.c. (110V – potenza - oppure 24V –
telecomandi e telemisure), alimentati da batterie
caricate da raddrizzatori in tampone
– utenze tassate e utenze esenti
z
z
z
In totale sono qualche millesimo della potenza
Solitamente c’è una sbarra ausiliari unica per tutti
i gruppi
Quasi tutti i servizi devono essere alimentati anche
a centrale ferma
71
Tipologie di S.A.
z
Servizi in c.a. che tollerano brevi interruzioni:
–
–
–
–
–
–
–
z
Servizi in corrente continua in continuità:
–
–
–
–
–
–
z
illuminazione
sollevamento e trasporto
forza motrice
apparecchiature trattamento olio
servizi generali
pompe di aggottamento
carica batterie
circuiti di regolazione
circuiti di comando
circuiti di segnalazione
circuiti di protezione
luci di sicurezza
utenze di emergenza in c.c.
Servizi in c.a., con riserva in c.c.:
–
–
–
–
–
pompa dell’olio del regolatore di velocità
compressore del polmone d’aria del regolatore
pompe olio cuscinetti e trasformatori (se presenti)
pompe acqua raffreddamento trasformatori (se presenti)
servizi antincendio
72
Sistema in corrente continua
Pompa in c.c. per l’avviamento in isola, per
mettere in pressione il circuito
oleodinamico per il regolatore di velocità e i
comandi (a volte anche i cuscinetti, per le
macchine più grandi)
z Batteria di accumulatori con raddrizzatore
caricabatterie, di capacità sufficiente
almeno a mettere in sicurezza l’impianto
z
73
Alimentazione dei S.A.
z
dal montante di macchina MT, con un
trasformatore dei S.A.
– problema della corrente di c.c. elevata (interruttore)
z
z
z
z
dal montante AT della centrale
da rete MT esterna indipendente
da gruppo ausiliario (elettrogeno oppure idraulico)
alimentazioni diverse se previsto il funzionamento
in isola
74
Regolazione e automazione
Avviamento
z Regolazione tensione e frequenza
z Distacco di carico
z Protezioni
z Telecontrollo
z
75
Come si avvia una macchina
z
z
z
z
Avvio delle pompe di lubrificazione cuscinetti (se
presenti) e regolatore velocità
Apertura del by-pass della valvola di turbina per
equilibrare le pressioni a cavallo della valvola
Apertura del distributore della turbina per metterla in
moto fino alla velocità nominale (in questa fase, il
carico è costituito dagli attriti)
A questo punto entra in gioco il regolatore di velocità
76
Avviamento
z
Generatore asincrono:
– non ha bisogno di eccitazione
– la turbina è portata al 90-95% della velocità
– si chiude l’interruttore di gruppo
z
Alternatore:
– si eccita la macchina e si regola la tensione
– si chiude l’interruttore quando tensione e fase
sono circa uguali a quelli di rete (zerovoltmetro)
– aprendo ulteriormente, la macchina prende carico
– agendo sull’eccitazione, si regola la Q
77
Avviamento
I
X
E
V
E=V+jXI
P=EV/Xsenδ
Q=V(Esenδ-V)/X
E
V
δ
jXI
78
Fermata del gruppo
z
z
z
Si apre l’interruttore: la macchina tende a
accelerare e il regolatore chiude il distributore
della turbina (equivalente a un distacco di carico)
Si potrebbe prima chiudere il distributore, ma si
avrebbe un’azione di trascinamento con intervento
del relè ritorno energia
Alle basse velocità, le macchine più grandi hanno
frenatura idraulica (controgetto), frenatura
elettrica (si chiude il generatore in corto circuito o
su una resistenza) o meccanica, perché i cuscinetti
lavorano male alle basse velocità
79
Automazione
z
z
z
z
z
z
Possibilità di funzionare non presidiata
Accesso da punto di controllo remoto
Diagnostica e protezioni
Necessaria la possibilità di effettuare manovre
indipendentemente dall’automatismo (servizio manuale,
utile durante i malfunzionamenti e i collaudi)
Possibilità di commutare da un tipo di servizio a un altro
(necessario che il sistema “ricordi” il proprio stato)
Necessario che la scelta del servizio avvenga solo
localmente, per ragioni di sicurezza
80
Quadri protezione
z
Allarme: anomalie o guasti che consentono di mantenere il servizio
– terra-rotore
– primo contatto relè Buchholz
z
Scatto: apertura interruttore di macchina e diseccitazione, il gruppo rimane a
giri:
– guasti esterni (sovraccarico o corto circuito) in cui rimane presenza tensione per
continuare a alimentare la centralina oleodinamica
z
Blocco: apertura interruttore, diseccitazione, chiusura valvola turbina arresto
delle macchine:
– guasto interno al generatore (protezione differenziale, corto circuito tra spire, terra
statore)
– massima temperature dei cuscinetti
– livello e circolazione del raffreddamento (se presente)
– livello e circolazione dell’olio in pressione
z
Blocco centrale: come sopra ma con chiusura valvola (il sensore rileva la
posizione “non aperta” e manda automaticamente in blocco la/le macchine) in
testa alla condotta:
– minima pressione condotta
– velocità di fuga della turbina
– allagamento centrale
81
Esempio di taratura protezioni
GRTN
z
Generatori da 2.5 MW a 6 kV, su rete 132 kV
– Massima corrente 50/51: I=1.5 In – t=2s
– Minima tensione: V=0.7 Vn – t=2s
– Squilibrio 46:
1 soglia 6.5% In – 5s – Allarme
z 2 soglia 7% In – Apertura interruttore di macchina
z
– Massima tensione omopolare:
V0=10V secondari – t=2s separazione impianto dalla rete
z V0=70V secondari – t=1s separazione impianto dalla rete
z
82
Esempio di
schema di
centrale con
un gruppo
83
Centrale con due gruppi in parallelo
84
Regolazione della velocità
z
Quando c’è uno squilibrio di coppia all’albero,
in accordo con la
C m − Ce = J
dΩ
dt
cambierebbe la velocità, se la macchina fosse
isolata
z Il regolatore di velocità mantiene costante Ω,
e quindi la frequenza
85
Regolazione della velocità
Problema: mantenere la velocità di rotazione
al variare della portata (variazione lenta) o
del carico (può essere veloce)
z Diversi tipi di regolazione possono imporre
come set point:
z
– potenza attiva
– livello del bacino di carico
La regolazione avviene controllando il
distributore della turbina, cioè la portata
z Il generatore asincrono non necessita di
regolatore di velocità
z
86
Caratteristiche del regolatore
z
z
Stabilità
Grado di statismo
– variabile tra 0.5% e 5%
z
z
z
z
σ=
f1 − f 2
f0
Energia regolante: ∆P=-k∆f
Precisione della regolazione
Insensibilità: variazione percentuale di velocità
occorrente per far intervenire il regolatore (i=0.1%)
Rapidità di intervento: tempo che il regolatore,
sollecitato da una piccola variazione di velocità,
impiega per produrre una uguale variazione
percentuale della P erogata dalla turbina (es.: 0.2 s)
87
Regolatore di velocità
Sensore che
misura la
velocità (oggi:
ruota fonica)
z Amplificatore
z Servomotore
alimentato da
una centralina
oleodinamica
z
88
Regolatore di velocità
89
Regolatore e comando Francis
90
Distacco carico a P massima
z
z
z
z
Variazione significativa della velocità
La velocità si ristabilisce in funzione dei regolatori e delle
inerzie (colpo d’ariete)
La diminuzione avviene in T0: c’è un eccesso di energia P0T0/2
che accelera il gruppo (diminuzione lineare della potenza
motrice)
La sovravelocità è: 1 J (ω 2 − ω 2 ) = P0T0
2
z
z
0
2
Definito il tempo di avviamento (5-10s) Tω= Jω02/P0
Si ottiene:
ω12 − ω02 T0
(
ω
2
0
z
1
)=
Tω
Tegolo o scarico sincrono: 1-4 s
91
Connessione alla rete
Tensioni di macchina: 400 V, 3-6-(10-20) kV
z Connessioni alla rete:
z
– fino a 3 MW: sistemi MT
– da 3 MW a 200 MW: 132-150 kV
– oltre 200 MW: 400 kV
92
Collaudo generatori
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
verifica della resistenza degli avvolgimenti;
controllo delle vibrazioni;
controllo dei rilevatori di temperatura;
verifica della resistenza di isolamento degli avvolgimenti statorici
(5kV c.c.) e rotorici (100 V c.c.), a macchina ferma;
verifica della tenuta dielettrica verso massa dei componenti rotorici e
statorici con tensione alternata applicata e successiva nuova verifica
della resistenza di isolamento (macchina ferma e separata dalla rete);
misura dell’impedenza rotorica totale e per singolo polo (ferma e in
moto), per riferimento;
misura della tensione d’albero;
rilevamento della caratteristica di magnetizzazione;
prova in corto circuito trifase permanente con rilievo della
caratteristica;
rilievo della forma d’onda di tensione (Norma CEI 2-3);
verifica del senso ciclico delle fasi;
93
Collaudo trasformatori
(Norme CEI 14-8; IEC 726)
z
z
z
z
z
z
z
z
z
misura della resistenza di isolamento di entrambi gli
avvolgimenti;
misura della rumorosità;
misura del rapporto di trasformazione e verifica del
collegamento;
prova di isolamento con tensione applicata a frequenza
industriale;
prova di isolamento con tensione indotta;
misura della resistenza ohmica degli avvolgimenti;
misura delle perdite e della corrente a vuoto;
misura delle perdite dovute al carico e della tensione di
corto circuito;
misura delle scariche parziali
94
Collaudo
z
Misura dei rendimenti a diversi valori di potenza:
η=
z
z
z
z
Pr Pel 1
=
Pa ηa γHQ
Pel si misura elettricamente, ηa si conosce dal
collaudo dell’alternatore
H si misura con manometri di precisione
Q si misura con mulinelli o ultrasuoni
Alternativamente c’è il metodo termodinamico, che
però richiede misure di differenze di temperature
dell’ordine del centesimo di grado
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